衛星移動通信系統的監測效果仿真分析

摘要：文章以ITU-R報告M.2398中的靜止軌道衛星移動通信系統的參數為例，研究衛星移動通信系統的監測效果。對于下行鏈路，仿真計算表明監測效果良好；對于上行鏈路，仿真計算表明，地基監測系統對上行鏈路進行監測的覆蓋范圍約為2.5～5 km，基于21 km高度的高空平臺（HAPS）的監測系統對上行鏈路進行監測的覆蓋范圍在最小通信仰角取5°時約為203 km。

關鍵詞：無線電監測；通信鏈路仿真；上行鏈路；下行鏈路；衛星移動通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.07.003

中圖分類號：TN 98 " " " " " " " 文獻標志碼：A " " " " " " " 文章編碼：1672-7274（2023）07-00-04

Simulation Analysis of Monitoring Effectiveness of Satellite Mobile Communication System

DING Xianhua， ZHAO Yan’an， LIU Yanjie， NIU Lirong

（Shaanxi Monitoring Station of National Radio Monitoring Center， Xi’an 710200， China）

Abstract： This paper takes the parameters of GSO （Geostationary Satellite Orbit） MSS （Mobile Satellite Service） system from ITU-R report M.2398， to study the monitoring effect of the MSS system. For the downlink， theoretical calculation show that the monitoring effectiveness is good; For the uplink， the simulation calculation shows that the coverage radius of the ground-based monitoring system is about 2.5～5 km， and the coverage radius of the monitoring system based on the 21 km high altitude platform （HAPS） is about 203 km when the minimum communication elevation is 5°.

Key words： radio monitoring; communication link simulation; uplink; downlink; satellite mobile communication

1 " 研究背景

我國幅員遼闊，地理環境復雜，在部分偏遠地區地面蜂窩網絡不能完全覆蓋。衛星移動通信系統作為陸地蜂窩通信系統的擴展和延伸，不受地域和天氣的制約，是應急通信的首選方式。衛星移動電話利用地球靜止軌道衛星或中、低軌道衛星作為中繼站，實現區域乃至全球范圍內的移動通信。衛星移動電話終端具備便攜性、易用性、隱蔽性、不受公眾移動通信管理手段控制等特點。自1976年Marist系統商用以來，銥星、全球星、歐星、亞星、天通等窄帶衛星移動電話持續發展[1]。

2022年下半年，中國移動聯合中興通訊等廠商發布全球首個運營商5G非地面網絡（NTN）技術外場驗證成果。普通手機與遠在3.6萬千米之外的靜止軌道衛星通信，像發微信一樣，實現短消息和語音對話。此成果基于3GPP公開協議，手機終端依次通過衛星、信關站、NTN基站，接入地面核心網和業務平臺，最終實現空天地一體貫通[2]。

隨著衛星移動電話在各領域的應用日益增多，對衛星移動通信系統的監測需求也日益凸顯。本文基于ITU報告中的參數，對典型衛星移動通信系統的監測效果進行仿真分析評估。

對衛星移動通信系統上行鏈路和下行鏈路的監測，分別對應衛星通信終端和衛星空間電臺的監測。一般衛星通信系統的通信鏈路包含用戶鏈路和饋電鏈路，本文重點研究對用戶鏈路的監測，包括用戶上行鏈路和用戶下行鏈路。

2 " 下行鏈路監測效果分析

衛星頻譜資源為稀缺的高價值資源，對衛星頻譜資源的日常使用情況開展監測和分析，有利于掌握頻譜資源使用情況，進而優化頻譜資源配置。

2.1 空間電臺的參數

根據ITU-R報告M.2398，選取衛星通信系統空間電臺的典型參數，如表1所示[3]。

2.2 仿真計算

計算地面監測系統所接收到的衛星信號功率大小。

（1）

式中，P為接收信號電平（dBm/MHz）；EIRP為衛星空間電臺EIRP（dBm/MHz）；為下行鏈路路徑損耗（dB）；為接收鏈路損耗，含饋線損耗（dB）；為接收天線增益（dB）；為其他損耗（dB）。

因為衛星高度固定，即固定；衛星空間電臺EIRP為已知常數；因此，影響衛星監測效果的關鍵是、、，也就是頻譜分析儀和監測系統射頻設備的性能指標。

根據式（1）和表1系統參數，如監測系統的接收天線按4 m口徑天線的常規增益取35 dBi，計算下行鏈路的接收信號強度，如表2所示。

在上述分析中，未考慮其他損耗。此時，地面監測系統可接收到的衛星下行鏈路信號強度約為-62.3 dBm/MHz，遠大于接收機的接收靈敏度，監測效果良好；如果要進一步提升監測效果，可提高監測接收天線的增益。

3 " 上行鏈路監測效果分析

關于衛星上行鏈路的監測，因終端發射功率小、發射時間不規律、位置隨機移動等原因，測向系統覆蓋范圍易受環境影響，如有高樓遮擋或測向機位置過低（如衛星通信終端工作在四周皆有高樓的地面上，或者在高樓頂上）則可能地面監測系統完全無法接收到信號。實現對衛星電話上行鏈路信號的有效監測，除了傳統的地基監測方式，可考慮探索由HAPS（High Altitude Plateform Station）搭載監測設備監測等新監測方式[4][5]。

以下針對使用地基系統和HAPS平臺開展手持終端上行鏈路的監測的效果，進行仿真分析。

3.1 手持終端的參數

根據ITU-R報告M.2398，選取衛星移動通信的手持終端的典型參數，如表3所示[3]。

3.2 地基系統監測效果仿真分析

地基監測系統的監測效果受監測天線的高度、是否有地物遮擋等多因素的影響，一般監測天線高度越高，監測效果越好。圖1是使用不同高度監測天線，在不考慮地物遮擋時的傳播路徑損耗，接收1.5 m高度地面信號的仿真結果。在距離終端5 km時，2.5～10 m高的監測天線接收信號的路徑損耗約為124～135 dB。

在發射端或接收端沒有地物遮擋時，監測效果最好。實際場景中，監測接收端常選擇無地物遮擋的空曠地點，但衛星通信終端周圍的環境復雜多樣，應考慮有地物遮擋傳播路徑損耗，如圖2所示。在距離終端5 km時，如考慮地物損耗，2.5～10 m高的監測天線接收信號的路徑損耗約為152～162 dB。

一般情況下，衛星手持終端的高度可近似計算為1.5 m，功率為2 W/180 kHz，天線增益為0 dB。

衛星監測接收機的噪聲溫度取290 K，解調門限取5 dB，接收機噪聲系數取5，根據以下計算公式可計算出衛星監測系統的靈敏度：

S（dBm）=NT0（dBm）+10lg（BW）+NF（dB）+Eb/N0 " （2）

式中，S為靈敏度；NT0為噪聲基底；BW為信號帶寬；NF為接收機噪聲系數；Eb/N0為接收機的解調門限。

計算可知，衛星監測系統的靈敏度可取-163 dBm/Hz；當監測天線高度為2.5～10 m時，利用全向天線（天線增益為0 dB）接收移動終端信號的范圍約為2.5～5 km，如圖3所示。

上述計算表明，考慮到地形地物因素，當監測天線高度為2.5 m時，可監測距離約為2.5 km；當天線架高到10 m時，5 km是在地面接收到衛星電話的最大距離。

3.3 基于HAPS進行監測的仿真分析

考慮地基監測受地形地物影響較大，對于特定任務或特定區域的衛星通信移動終端的無線電監測，可以考慮采用基于HAPS的監測系統。與現有的地面無線電頻譜監測相比，HAPS監測系統受地形約束小、信號傳播損耗低，監測范圍廣。

《無線電規則》No.1.66A定義的HAPS平臺位于20 km到50 km之間。這個高度處于大氣的平流層。該區域空氣稀薄、氣溫低，雖有嚴重的臭氧腐蝕和強烈的紫外線破壞，但氣象狀況遠不如航空空間那樣復雜，很少有雷暴閃電，也沒有云、雨和大氣湍流的現象，對于雷達探測、偵察監測，以及提供移動通信服務等，都有很好的發展潛力。考慮到空氣密度、風速等因素，HAPS平臺的有效高度為20～25 km，為了獲得更好的穩定性，平臺高度需要低于25 km，一般選擇在17～22 km。常見的HAPS平臺有直升機、螺旋槳或噴氣式飛機、熱氣球、無人飛機、亞軌道飛行器、平流層飛艇等[6]。

以下計算基于HAPS監測系統的監測范圍：衛星電話的功率為2 W/180 kHz，天線增益為0 dB，衛星監測系統的靈敏度為-163 dBm/Hz；平臺高度取21 km，在只考慮傳播路徑損耗的情況下，利用全向天線（天線增益為0 dB）進行監測，范圍可達到450 km，如圖4所示。

實際工程中，在研究基于HAPS的監測平臺的覆蓋范圍時，除了要考慮傳播路徑損耗，還需考慮地球圓形曲率及衛星通信終端的最小通信仰角等因素。圖5是基于HAPS平臺監測系統接收地面信號的場景示意圖。

將地面終端上行信號到達HAPS平臺監測系統的方向與水平面夾角定義為仰角θ，地球半徑為R

（R=6 378 km），地面終端與高度為H的HAPS平臺之間的傳播距離L可表示為[7]：

（3）

HAPS平臺的可監測范圍在地面的投影半徑為

（4）

計算可知，隨著最小通信仰角的增大，HAPS平臺監測系統的可監測半徑逐漸減小，如最小通信仰角按5°計算，高度為21 km的HAPS監測平臺的覆蓋半徑最大為203 km。如圖6所示。

4 " 結束語

對衛星移動通信系統下行鏈路和上行鏈路監測效果進行仿真分析發現：影響下行鏈路監測效果的主要因素為接收天線增益和接收鏈路損耗；基于地基平臺對上行鏈路的監測效果受地形地物的影響較大；基于HAPS平臺的監測系統對上行鏈路進行監測的效果主要受最小通信仰角的影響。

在本文分析中，監測系統采用0 dB全向天線。在實際的無線電監測任務中，如果須逼近監測已經鎖定范圍的監測目標，使用天線增益更大的定向監測天線可擴大可監測范圍。

參考文獻

[1] 孔曉燕，付應麗，付毅飛．天通一號03星發射我首個衛星移動通信系統建設取得重要進展[N]．科技日報，2021-1-21（3）.

[2] 孫妍．可撥打衛星電話的消費級國產手機即將推出[N]．IT時報，2022-9-16（1）.

[3] ITU-R Report M.2398-0. Scenarios and performance of an integrated MSS system operating in frequency bands below 3 GHz. https：//www.itu.int/pub/R-REP-M.2398. 2016，10.

[4] 李安平．基于TDoA對衛星移動電話的高精度定位系統設計與工程實現[J]．中國無線電，2021（4）：50-53.

[5] 黃偉寧，宋柯平．衛星電話上行信號的監測與定位[C]．2012年度全國無線及移動通信學術大會（WMC'12），2012.

[6] 邵震洪，劉先虎，范萬水．基于高空平臺的無線電頻譜監測系統研究[J]．中國無線電，2011（12）：50-52.

[7] 黃穎，李偉，簡晨，等．低軌星座系統的可控波束到地功率通量密度研究[J]．電信科學，2022（004）：49-58.